高强度低合金钢DED-Arc增材制造构件表面Zn+Al2O3低压冷喷涂涂层的疲劳性能与腐蚀防护研究

《Welding in the World》：Fatigue performance of high-strength low-alloy DED-Arc components with Zn?+?Al2O3 low-pressure cold spray coating

本研究针对电弧定向能量沉积（DED-Arc）制备的高强度低合金钢（HSLA）构件存在的表面波纹导致的疲劳强度下降及腐蚀防护需求，创新性地采用低压冷喷涂（LPCS）技术沉积Zn+Al2O3复合涂层。通过循环腐蚀试验（CCT）和疲劳性能测试，证实该涂层在提供有效阴极保护的同时不影响构件疲劳强度（保持FAT 125级别），为海洋工程和土木建筑领域大型金属构件的长效防护提供了新方案。

　　

在大型金属构件制造领域，电弧定向能量沉积（DED-Arc）技术因其高沉积速率和灵活成型能力，正逐步应用于海洋平台、桥梁等重大工程结构。然而，这种层层堆积的制造方式会形成独特的表面波纹，如同起伏的沙丘般凹凸不平。这些微观的“地形特征”不仅影响构件美观，更会像应力集中器一样显著降低构件的抗疲劳性能。更严峻的是，暴露在潮湿、盐雾等恶劣环境中的钢结构必须面对腐蚀威胁，传统热浸镀锌（HDG）工艺在粗糙的DED-Arc表面易产生脆性锌铁相，反而加剧疲劳强度劣化。如何在不牺牲疲劳性能的前提下实现长效腐蚀防护，成为制约该技术走向工程应用的卡脖子难题。

为破解这一难题，由德国布伦瑞克工业大学、芬兰坦佩雷大学等多国团队联合在《Welding in the World》发表最新研究，创新性地将低压冷喷涂（LPCS）技术引入DED-Arc构件防护领域。研究人员采用Zn+Al₂O₃复合粉末，在保持固态沉积的特性下构建保护层，系统评估了涂层对构件表面形貌、腐蚀防护效能及疲劳寿命的影响规律。

研究通过多技术联用精准表征材料特性：采用机器人化LPCS系统在 grit-blasting（喷砂处理）后的DED-Arc构件表面沉积四层Zn+Al₂O₃涂层；通过场发射扫描电镜（FESEM）分析涂层微观结构；依据DIN EN ISO 11997-3标准进行循环腐蚀试验（CCT）；利用结构光三维扫描量化表面高度参数（S_a, S_q, S_z等）；通过伺服液压疲劳试验系统配合四相机数字图像相关（DIC）技术实时监测应变演化。从7个薄壁构件中提取的37个疲劳试样覆盖两种DED-Arc工艺参数（A组：8% CO₂保护气；B组：18% CO₂保护气）及未涂层、涂层态、腐蚀后三种表面状态。

3.1 涂层特性与防护效能

LPCS成功构建厚度达497.2±82.5 μm的致密涂层，Al₂O₃颗粒嵌入锌基体形成复合结构（图7）。CCT测试后，涂层区域无腐蚀损伤，仅未保护的S355基板出现局部腐蚀（图8a）。构件厚度中位数从5.99 mm降至5.75 mm（图8b），证实锌层通过牺牲阳极机制实现阴极保护。

3.2 表面形貌量化分析

DED-Arc工艺参数显著影响表面形貌：A组试样呈现规则层状结构（图9a），S_z值为0.504 mm；B组因保护气CO₂含量升高至18%，表面出现不规则凸起（图9b），S_z值达1.601 mm（表6）。LPCS涂层使S_z从0.504 mm增至0.75 mm，但未改变表面波谷分布特征。

3.3 疲劳性能评估

疲劳测试表明（图11）：B组试样因表面粗糙度大幅增加，疲劳强度降至FAT 80；而A组未涂层、LPCS涂层态及CCT后试样均保持FAT 125级别（图12）。DIC应变场监测发现（图13），疲劳裂纹萌生于层间波谷处，局部应变在失效前骤增至8.9×10^-3（图14），远超整体应变值。LPCS涂层虽未提升疲劳强度，但通过避免HDG工艺的脆性相生长问题，实现了防护与力学性能的兼容。

结论与展望

本研究首次系统证实LPCS Zn+Al₂O₃涂层可同时满足DED-Arc构件的腐蚀防护与疲劳性能要求。通过量化工艺参数-表面形貌-疲劳强度的关联规律，发现保护气成分对表面质量具有决定性影响。DIC技术精准捕捉到波谷处应变集中演化过程，为理解疲劳损伤机制提供直观证据。该成果为海洋工程、风电塔架等大型金属结构的数字化制造-防护一体化技术开发奠定基础，未来需进一步研究涂层在复杂载荷下的长效性能演变及大型构件工程应用可行性。